ZigBee无线网络技术在景观灌溉系统中的应用设计*

王淑珍 ，周益明 ,2，陈娜娜 ，王 华 ，缪 军 ，杨祥龙

（1.浙江大学 生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州 310029;2.江南电子通信研究所，浙江 嘉兴 314001;3.浙江正联实业发展有限公司,浙江 杭州 310014)

景观灌溉系统是景观设计中的重要组成部分。随着计算机技术和无线网络技术的不断发展，将无线自动控制系统引入景观灌溉系统对景观设计的发展具有重要意义。基于ZigBee无线传感器网络技术的景观灌溉系统的控制子系统可以实现监测信号的获取和控制命令的发布，根据用户设定或者参数反馈对灌溉系统进行自动控制；无线传输的实现，避免了有线网络的搭建，从一定意义上节约了系统成本，方便了系统维护，提高了系统的稳定性；微型太阳能电池的使用，解决了采用普通碱性电池供电时无线传感器节点需要频繁更换电池的缺点，从一定程度上提高了系统的使用寿命。

本文主要介绍了景观灌溉系统中，无线控制子系统的应用设计；利用中央控制器、无线控制器节点和无线传感器节点组成ZigBee无线星型网络，实现了环境参数的自动采集和传输、控制命令的发布；无线传感器节点采用微型太阳能电池供电，体积小、易于搭建、节省了电线电缆，延长了节点的使用寿命。

1 基于ZigBee的无线控制子系统的系统架构

本设计中无线控制子系统采用基于ZigBee的无线传感器网络协议。ZigBee协议是一种低功耗、低成本、低数据传输速率的无线网络协议[1]，特别适用于监测控制系统。本文采用了星型的网络拓扑结构，适用于控制小型的无线自动灌溉系统。在此系统中，中央控制器作为协调器，担任着组建网络、允许节点加入、接收无线传感器节点采集的数据、显示各节点的工作状态、向无线控制器节点发送控制命令等任务；无线传感器节点负责采集环境信息(空气温、湿度，光照度及土壤湿度等)，并且将采集到的数据发送给中央控制器，以便中央控制器显示环境参数信息或者做出灌溉与否的决策；无线控制器节点接收中央控制器传来的灌溉命令，启动或关闭相应的电磁阀，完成灌溉任务。无线控制子系统架构如图1所示。

2 无线控制子系统网络节点硬件设计

系统硬件框图如图2所示。

本设计中采用了Jennic公司生产的JN5139-001系列无线微处理器模块,该模块集成了可工作于2.4 GHz频段的射频模块，兼容于IEEE802.15.4/ZigBee协议[2];提供了对大量模拟和数字外设的互操作支持：中央控制器配置了液晶显示器和按键，显示网络中各节点的工作状态、环境参数值、设置系统参数、对灌溉系统进行手动或自动控制;无线传感器节点配置了各种传感器,对各种环境信息进行采集，发送给中央控制器，进行实时显示或进行灌溉决策；无线控制器节点可配置4路喷灌设备，用于接收中央控制器发布的控制命令，通过电磁阀对喷头喷水与否进行控制。此外，对不同的节点还配置了不同的供电设备：中央控制器可用作便携式控制设备，采用AAA电池供电；无线传感器节点放置于露天环境下采集必要的环境信息，阳光充足时，配置的微型太阳能电池为其供电，充分利用太阳能资源；无线控制器节点控制交流电磁阀，因能耗较大，采用电网供电。

3 无线控制子系统网络节点软件设计

本系统包括3种类型的节点,因此软件部分的设计也包括3部分，由中央控制器在网络中担任“协调器”的工作:(1)将自己定义为ZigBee网络的协调器节点并建立网络，等待其他节点的加入；(2)在完成组网的任务后进入主循环，即周期性地接收终端节点发送来的数据并实时地将节点工作状态信息显示在液晶上。同时，根据用户设置判断是否满足灌溉条件，一旦满足就向控制器节点发送相应的灌溉命令；(3)当产生各种硬件或软件中断（如按键、时钟等）时则跳到相应的中断服务程序，等执行完该服务后，又将回到主程序继续循环。中央控制器的主程序流程图如图3所示。

图3 中央控制器主程序流程图

无线传感器节点和无线控制器节点都属于星型拓扑结构中的“终端节点”，但担任的任务各不相同。无线传感器节点的首要任务是加入到中央控制器建立的网络，然后开始周期性地采集环境参数信息并将数据发送给中央控制器。而无线控制器节点以同样的方式连入网络后进入休眠阶段，直到接收到中央控制器发送来的灌溉命令才跳入灌溉中断服务程序。图4为无线传感器节点的主程序流程图。

图4 无线传感器节点主程序流程图

4 微型太阳能电池

本系统中，为无线传感器节点供电的微型太阳能电池应具备体积小、能量密度高[3]的特点。无线传感器节点所需的微型太阳能电池包括3部分：太阳能光伏板、NiMH蓄电池组和输出调整电路。白天，太阳光线充足的时候，太阳能光伏板将光能转化成电能为NiMH蓄电池组充电，同时为无线传感器节点供电；晚上或者阴雨天，太阳光线弱时，由储能的NiMH蓄电池组为无线传感器节点供电。输出调整电路负责将太阳能光伏板或者蓄电池的输出转换成无线传感器节点所需的电压输入。微型太阳能电池的原理框图如图5所示。

在对无线传感器节点配置微型太阳能电池时，为了实现既能满足系统的能量需求，又能实现体积最小化和成本最低化的最优匹配，首先要计算无线传感器节点的能耗，表1为无线传感器节点在一个工作周期内处于不同工作过程时的能耗及总能耗[4]。

根据表1可得传感器节点的平均电流约为：

式中，W为无线传感器节点一个工作周期的总能耗，t为一个工作周期。

表1 无线传感器节点能耗

因为电流是在3 V工作电压下测得的,其平均功耗约为:

太阳能光伏板是将光能转变成电能的装置。光伏板的输出电压由光伏板的转换效率、光伏板放置地点的太阳辐射能、纬度等因素决定。本设计中选用现今转换效率最高的单晶硅太阳能光伏板，放置在杭州地区。杭州地区的纬度为北纬30.26°，根据经验计算，太阳能光伏板的倾角设定为35°[4]，以便一年四季获得比较均衡的太阳能辐射量。表2为杭州地区部分月份的月平均日辐射量及月平均每日峰值日照时数。

杭州地区7、8月份的太阳能辐射量较其他月份更大，因此在考虑太阳能辐射量的季节差异后，设定太阳能电池的每日充电时间为2小时，则其效率为8.3%；NiMH蓄电池的效率为66%；而输出调整电路部分的效率约为50%。则所需的太阳能光伏板的功率为：

因此系统中配置了一块标称电压7.5V、标称电流240 mA、功率约为1.8 W的单晶太阳能光伏板；选用容量高、环境友好、充电逻辑简单、超低自放电率[5]的5节格氏、ACE AA、单节容量2000 mAH的NiMH蓄电池作为储能装置。在夜晚或者光线微弱的时候，为了防止蓄电池反充太阳能光伏板，在光伏板和蓄电池之间串联一个防回流的二极管1N5819。NiMH蓄电池的充电逻辑简单，光伏板的输出电压与NiMH蓄电池的充电电压比较匹配，因此可直接用光伏板为蓄电池进行充电。

表2 杭州地区部分月份太阳能月平均日辐射量及月平均每日峰值日照时数

无线传感器节点的工作电压为2.2 V～3.6 V。因此，将太阳能光伏板或者蓄电池的输出转换成无线传感器节点所需的电压输入需要配置一个输出调整电路。其电路原理图如图6所示。

图6 输出调整电路

经过电压转换后，AMS1117输出3.3 V的电压，可为无线传感器节点提供稳定的工作电压，保证了无线传感器节点采集、传输精确的环境信息，便于用户了解环境状况(或中央控制器)据此作出正确的灌溉与否的决策。

将无线控制子系统应用到景观灌溉系统中,可以实现景观喷灌系统的自动控制，既节省人力，又方便管理；微型太阳能电池为无线传感器节点供电，从一定程度上延长了系统的使用寿命，实现了太阳能资源的有效利用。本系统已经试验运行并且取得了很好的效果，为今后大型无线自动灌溉系统在景观设计中的实现奠定了基础。

[1]顾瑞红,张宏科.基于 ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用，2005,31(6).

[2]Jennic Ltd.JN-DS-JN513x-1v4:data sheet-JN513x IEEE802.15.4 and ZigBee wireless microcontroller,26th Oct.,2007:http://www.jennic.com.

[3]JEONG J,JIANG Xiao Fan,CULLER D.Design and analysis of micro-solar power systems for wireless sensor Networks.Technical report.2007,24:http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2007/EECS-2007-24.html.

[4]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术.北京：化学工业出版社，2005.

[5]TANEJA J,JEONG J,CULLER D.Design,modeling,and capacity planning for micro-solar power sensor networks[C].2008 International Conference on Information Processing in Sensor Networks.2008.